摘要：大變形、小應(yīng)力、小中心漂移的柔性鉸鏈的研制一直是柔性鉸鏈研究的難題。本文在參考國外某款柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上，利用Ｖ型結(jié)構(gòu)設(shè)計、疊加理論和對稱布置方法設(shè)計了一種新型的柔性鉸鏈。針對這種柔性鉸鏈的設(shè)計進行了概念性研究，建立了鉸鏈的數(shù)學模型，研究了這種新型柔性鉸鏈的性能。有限元方法分析表明，該設(shè)計方法增加了鉸鏈柔性部分的長度，降低了它的中心漂移和最大應(yīng)力，得到其最大轉(zhuǎn)角約為16°，最大中心漂移為3.557μｍ，最大應(yīng)力為499.8MPa，滿足了最初的設(shè)計指標要求。結(jié)果證明該鉸鏈具有一定的實用價值。

引言

目前，空間光學遙感器主要是采用ＴＤＩＣＣＤ 交錯拼接的方式來實現(xiàn)長線陣的。交錯拼接 是將ＴＤＩＣＣＤ裝配成雙列交錯式焦面形式，即第 二行的ＴＤＩＣＣＤ正好填充第一行ＴＤＩＣＣＤ所形成 的間隙，首尾的像元分別對齊，但在相機飛行方向 上（圖像積分方向）兩行錯開一定的位置。這種拼接方式有很多優(yōu)點，但是無法實現(xiàn)像移補償。 像是影響相機成像質(zhì)量的重要因素，存在使圖像分辨率明顯下降的問題，所以必須進行像移 補償。不同原因引起的像移由不同的機構(gòu)來補償，通常的做法分為機械像移補償方法和電子學補償法。電子學補償方法是利用ＴＤＩＣＣＤ行 轉(zhuǎn)移匹配能力而實現(xiàn)的一種補償方法。ＴＤＩＣＣＤ 采用的電荷延時積分方法是通過在像移速度方向上以像移速度同步的速度轉(zhuǎn)移電荷來保證像移的補償。ＴＤＩＣＣＤ只在列方向具有像移補償能力， 因此，這種像移補償方法只有在ＴＤＩＣＣＤ的積分時間與像移速度匹配，并且ＴＤＩＣＣＤ列方向與像 移速度方向一致時方可實現(xiàn)。采用電子像移補償法進行像移補償時，需要兩個機構(gòu)來完成：一是實時控制相機的ＴＤＩＣＣＤ器件轉(zhuǎn)動，保持ＴＤＩＣＣＤ列方向與像移速度方向一致；另一個是控制 ＴＤＩＣＣＤ的行轉(zhuǎn)移速度與像移速度匹配，完成像 移速度數(shù)值上的補償。本文的柔性鉸鏈主要是基于實現(xiàn)實時控制相機的ＴＤＩＣＣＤ器件轉(zhuǎn)動而研制的。由于ＣＣＤ的精度要求很高，加之空間環(huán)境的限制，普通的轉(zhuǎn)動機構(gòu)無法滿足這一要求，只有無間隙、無摩擦、免潤滑和高分辨率的柔性鉸鏈才可能滿足要求。本鉸鏈研究是基于某型號相機設(shè)計 的，其要求的轉(zhuǎn)動角度為６～８°，中心漂移不大于１０μｍ，外型尺寸不大于４０ｍｍ×６０ｍｍ。

柔性鉸鏈的設(shè)計

幾種典型的柔性鉸鏈介紹

圖１（ａ）是一種交錯型柔性鉸鏈，由兩個相同的彈性薄簧片疊合而成，轉(zhuǎn)動幅度最大可達２６°。圖１（ｂ）是一種裂筒式柔性鉸鏈，圖１（ｃ）是 一種自由撓曲式柔性鉸鏈。上述３種柔性鉸鏈 的特點是柔性好、轉(zhuǎn)角范圍大，但當有外力作用時轉(zhuǎn)動中心有比較大的漂移是他們的致命弱點。

上述幾種柔性鉸鏈的一個共同特點是其結(jié)構(gòu)由多個簧片構(gòu)成。其變形都是由一個或多個簧片 共同完成，利用分布柔度來實現(xiàn)集中變形，稱之為 柔性鉸鏈的多簧片構(gòu)型。這種構(gòu)型的柔性鉸鏈比 缺口型的傳統(tǒng)柔性鉸鏈擁有較大的變形范圍，但是這種多簧片式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很難保證。空間環(huán)境對構(gòu)件的穩(wěn)定性及強度的要求十分嚴格， 將以上部件應(yīng)用到空間還需要更近一步的研究。 本文根據(jù)傳統(tǒng)的車輪式柔性鉸鏈，在參考國外某 款柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的蝶型柔性鉸鏈。如圖２所示。

 

柔性鉸鏈的設(shè)計

目前現(xiàn)有的大變形柔性鉸鏈形式多樣，但多采用直線簧片作為構(gòu)成復雜大變形柔性基本單元。設(shè)計的手段無非是增加柔性部分的長度和減少柔性部分的厚度，但一味的追求大長度小厚度的柔性鉸鏈也會使整個結(jié)構(gòu)不緊湊，厚度過低會降低其疲勞壽命，尤其對于應(yīng)用于空間的柔性鉸鏈，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抗疲勞性等都是必須考慮的。因此，為了在有限的空間范圍內(nèi)，既能增加柔性單 元的長度，又不會降低厚度便成為設(shè)計新型大變 形柔性鉸鏈的關(guān)鍵。本設(shè)計利用折疊的方法提高柔性部件長度，同時保證其厚度不變。設(shè)計的原型來自于車輪式柔性鉸鏈，如圖３所示。

蝶型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)如圖４所示。蝶型柔性 鉸鏈采用柔性部件Ｖ字型設(shè)計，增加了柔性單元長度并且保證了柔性部分的厚度。這個結(jié)構(gòu)由４ 個基本的相互連接的鉸鏈組成。第一對柔性彈板 連接著中間部件１與固定部件，使他們產(chǎn)生圍繞 著旋轉(zhuǎn)中心的一個旋轉(zhuǎn)自由度。第二對柔性彈板 連接著中間部件１與部件２，也同樣圍繞Ｏ軸旋轉(zhuǎn)。第三對柔性彈板連接部件２和部件３，作用一樣。因為８個彈板都是一樣的，所以每一個單 元鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度相同。因此，當對移動部件施 加一個角度α時，４個鉸鏈平分這一轉(zhuǎn)角（部件１ 相對于固定部件旋轉(zhuǎn)α／４，部件２旋轉(zhuǎn)α／２，部件 ３旋轉(zhuǎn)３α／４）。 蝶型柔性鉸鏈的一個非常重要的優(yōu)勢就是它 在旋轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生非常小的寄生中心漂移，這個結(jié)果有兩個方面的影響：

ａ）４個部件的轉(zhuǎn)角分配柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的寄生位移的數(shù)值相對 于轉(zhuǎn)角成非線性的增長，這意味著一個柔性鉸鏈 轉(zhuǎn)動α度比兩個柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動α／２產(chǎn)生的寄生位移更大。因此，把角度分配給４個部件是一種十分有效降低中心漂移的方法。

ｂ）部件之間的中心漂移補償 按著序列連接４個柔性鉸鏈單元產(chǎn)生一個完 全的中心漂移，這個中心漂移是每一個部件的漂移的矢量和。第一對鉸鏈（連接部件１和固定部件）以一種寄生位移矢量相互補償?shù)奈恢梅绞桨卜?，其它也以同樣方式安放?/p>

本文使用有限元方法，對這種柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，最大轉(zhuǎn)角、力和中心漂移關(guān)系進行了比較深入的研究和探討。

蝶型柔性鉸鏈的分析

蝶型柔性鉸鏈的幾何模型如圖５所示。

蝶型柔性鉸鏈也是基于多簧片構(gòu)型原理設(shè)計的一種具有較大變形的柔性鉸鏈，本文利用 ＵＧ6.0的分析功能對其進行了分析。模型采用的是六面體網(wǎng)格，材料選用的是鈦合金，彈性模量為114ＧＰａ，泊松比為0.33。網(wǎng)格模型如圖６所示。

如何在變形中降低應(yīng)力是大變形柔性鉸鏈研 制過程中非常棘手的一個問題。通常來講，最有效的辦法就是兩個，增加柔性單元長度和降低其厚度。由于還有疲勞強度等方面的考慮，因此降低厚度并不可取。另外，應(yīng)用在有限的空間中，這 對單純地增加其柔性單元的長度也提出了非常嚴格的要求。本鉸鏈通過兩個設(shè)計來增加柔性單元的長度。其一，通過兩個柔性單元通過一定角度相連，即Ｖ型設(shè)計增加柔性單元的長度，同時沒有大幅度的增加整個零件的長度。其二，對稱式 的結(jié)構(gòu)，使力不是由單獨某一個柔性單元承擔，而是由４個部分分擔。所以，本設(shè)計有效地降低了應(yīng)力。利用ＵＧ６．０進行有限元分析，在如圖７所示的這個位置施加５Ｎ的力，方向與柔性單元薄板的法向相同。

應(yīng)力結(jié)果如圖８所示，最大應(yīng)力如圖９所示。 得到其最大應(yīng)力約為４９９.８ＭＰａ，而Ｔｃ４的許用 應(yīng)力為８９５ＭＰａ。鉸鏈的單向轉(zhuǎn)動角度約為８°， 即其總運動行程可以達到16°左右。

利用有限元分析軟件，對其中心漂移進行了分析。中心漂移是由于轉(zhuǎn)動寄生的。由于給定的是力，而不是單純的轉(zhuǎn)動，因此，中心漂移是不可避免的。但是蝶型柔性鉸鏈采用了４個部件共同分擔的設(shè)計理念和矢量抵消的柔性構(gòu)造，大大降低了中心漂移的數(shù)值。采用上面的施力大小、方向、和位置，得到如圖10所示的中心漂移，其大小為３.５５７μｍ。根據(jù)設(shè)計要求，在１０μｍ的范圍內(nèi)都是可以接受的。因此，這里的設(shè)計符合要求。 從半徑１４ｍｍ開始（半徑１４ｍｍ時，要想轉(zhuǎn)到８°，最大應(yīng)力達到６００ＭＰａ），步長為１ｍｍ，直到１８ｍｍ結(jié)束。轉(zhuǎn)動角度都為８°，施加力的方向 和位置是一致的。數(shù)據(jù)如表１所示。將半徑與中 心漂移的數(shù)值之間的關(guān)系做成圖的形式，得到如圖11所示的結(jié)果。





 

表１　數(shù)據(jù)表
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柔性板的 半徑／ｍｍ	中心漂移的 數(shù)據(jù)／μｍ	轉(zhuǎn)動８°所需 的推力／Ｎ
14 15 16 17 18	６．０６ ５．２６４ ５．０１ ４．７７ ３．９９	8．78 7．50 6．55 6.30 4.95

由圖１１可以看出，柔性板的半徑與中心漂移 數(shù)值的大小不成線性關(guān)系。根據(jù)分析和課題本身 尺寸要求，本設(shè)計采用的是１７ｍｍ柔性板半徑。另外，蝶型柔性鉸鏈設(shè)計的最主要目的是實現(xiàn)大 轉(zhuǎn)角，而有限元分析軟件無法顯示出轉(zhuǎn)角，因 此，這里利用位移與半徑的比值來近似角度值。驅(qū)動力的方向大小與上面分析取定的一樣，結(jié)果如圖12所示。

取定點距離中心點的距離為１.７ｍｍ，取定點的位移為０.２３５１ｍｍ，用弧度法，得到旋轉(zhuǎn)弧度約為０.１４，換算成角度約為８°。達到最大角度后，該鉸鏈還能保持良好的應(yīng)力特性，中心漂移也 沒有超出設(shè)計范圍。因此，可以說，該鉸鏈滿足設(shè) 計角度要求。另外，尋找到了其力與位移（即轉(zhuǎn)動角度）之間的關(guān)系，如圖13所示。 由圖13可以看出，力與位移之間的關(guān)系接近 于線性。這樣在沒有反饋的條件下，也可以很好地調(diào)控轉(zhuǎn)角（如要實現(xiàn)精確控制，必須實行反饋， 這不在本文討論范圍）。

結(jié)　論

　本文利用有限元方法設(shè)計了一種新型的大轉(zhuǎn)角柔性鉸鏈，并對其性能進行了分析。首先，利用 Ｖ型結(jié)構(gòu)設(shè)計、疊加理論、對稱布置方法等結(jié)構(gòu)設(shè)計手段，增加了鉸鏈柔性部分的長度，降低了該鉸鏈的中心漂移和最大應(yīng)力。其次，利用有限元方法優(yōu)化該鉸鏈的柔性部分的長度，得到最優(yōu)長度為１７ｍｍ，此時的中心漂移為３.５５７μｍ，最大轉(zhuǎn)角可達到８°，滿足設(shè)計指標要求。最后，為了使該鉸鏈更具有實用性，利用有限元方法分析了該鉸鏈的轉(zhuǎn)角與力的關(guān)系，分析表明，該鉸鏈具有優(yōu)良的線彈性。該鉸鏈滿足設(shè)計指標要求，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。